Praktické srovnání proudových transformátorů pro měření a ochranu

Přesnost ochranného proudového transformátoru (CT)Přesnost ochranného proudového transformátoru se netýká přesného účtování, ale předvídatelného výkonu během poruchy. Jeho přesnost je definována „kompozitní chybou“ při specifickém násobku jeho jmenovitého proudu. Běžnou třídou ochrany je5P10.Toto označení se rozkládá následovně:

• 5Složená chyba nepřekročí 5 % v mezi přesnosti.
• PToto písmeno jej označuje jako ochrannou třídu CT.
• 10: Toto je mezní činitel přesnosti (ALF). Znamená to, že proudový transformátor si udrží specifikovanou přesnost až do desetinásobku svého jmenovitého primárního proudu.

Stručně řečeno, proudový transformátor 5P10 zaručuje, že i když je primární proud 10krát vyšší než jeho normální jmenovitý proud, signál odeslaný do relé je stále v rozmezí 5 % ideální hodnoty, což zajišťuje, že relé provede správné rozhodnutí o vypnutí.

Zátěž a hodnocení VA

Břemenoje celková elektrická zátěž připojená k sekundárním svorkám proudového transformátoru, měřená ve voltampérech (VA) nebo ohmech (Ω). K této zátěži přispívá každé zařízení a vodič připojený k proudovému transformátoru. Překročení jmenovité zátěže proudového transformátoru sníží jeho přesnost.

Celková zátěž jesoučet impedancí všech komponentv sekundárním okruhu:

• Vlastní odpor sekundárního vinutí proudového transformátoru.
• Odpor přívodních vodičů spojujících CT se zařízením.
• Vnitřní impedance připojeného zařízení (měřiče nebo relé).

Výpočet celkové zátěže:Inženýr může vypočítat celkovou zátěž pomocí vzorce:Celkové zatížení (Ω) = vinutí CT R (Ω) + drát R (Ω) + zařízení Z (Ω)Například pokud je odpor sekundárního vinutí proudového transformátoru 0,08 Ω, připojovací vodiče mají odpor 0,3 Ω a relé má impedanci 0,02 Ω, celkové zatížení obvodu je 0,4 Ω. Tato hodnota musí být menší než jmenovité zatížení proudového transformátoru, aby správně fungoval.

Měřicí proudové transformátory (CT) mají obvykle nízké jmenovité hodnoty VA (např. 2,5 VA, 5 VA), protože se připojují k vysokoimpedančním měřicím zařízením s nízkou spotřebou na krátké vzdálenosti. Ochranné CT vyžadují mnohem vyšší jmenovité hodnoty VA (např. 15 VA, 30 VA), protože musí dodávat dostatek energie k provozu cívek ochranného relé s nižší impedancí a vyšší spotřebou, často na mnohem delších kabelových trasách. Nesprávné přizpůsobení jmenovitého zatížení CT skutečnému zatížení obvodu je běžným zdrojem chyb v měřicích i ochranných schématech.

Pochopení napětí v bodě kolena

Napětí v bodě kolena (KPV) je kritický parametr, který je platný výhradně pro ochranné proudové transformátory. Definuje horní hranici užitečného provozního rozsahu proudového transformátoru, než se jeho jádro začne saturovat. Tato hodnota je nezbytná pro zajištění spolehlivého příjmu signálu ochranným relé během poruchy s vysokým proudem.

Inženýři určují KPV z budicí křivky proudového transformátoru, která znázorňuje závislost sekundárního budicího napětí na sekundárním budicím proudu. „Koleno“ je bod na této křivce, kde se dramaticky mění magnetické vlastnosti jádra.

Ten/Ta/ToStandard IEEE C57.13poskytuje přesnou definici tohoto bodu. U CT snímání bez mezery je bod ohybu místem, kde tečna ke křivce svírá s vodorovnou osou úhel 45 stupňů. U CT s mezerou je tento úhel 30 stupňů. Tento specifický bod označuje začátek saturace.

Pokud proudový transformátor pracuje pod napětím v bodě kolena, jeho jádro se nachází v lineárním magnetickém stavu. To mu umožňuje přesně reprodukovat poruchový proud pro připojené relé. Jakmile však sekundární napětí překročí hodnotu KPV, jádro se dostane do saturace. Saturace, často způsobená velkými střídavými proudy a stejnosměrnými ofsety během poruchy, způsobí, že proudový transformátor...magnetizační impedance výrazně klesáTransformátor již nedokáže věrně odrážet primární proud na sekundární stranu.

Vztah mezi KPV a spolehlivostí ochrany je přímý a klíčový:

• Pod bodem kolena:Jádro proudového transformátoru pracuje lineárně. Poskytuje přesnou reprezentaci poruchového proudu pro ochranné relé.
• Nad bodem kolena:Jádro se nasytí. To vede k velkému nárůstu magnetizačního proudu a nelineárnímu provozu, což znamená, že proudový transformátor (CT) již přesně neodráží skutečný poruchový proud.
• Funkce relé:Ochranná relé potřebují pro správnou funkci přesný signál. Pokud dojde k nasycení proudového transformátoru (CT) dříve, než se relé může rozhodnout, může se stát, že relé nedokáže detekovat skutečnou velikost poruchy, což vede ke zpožděnému vypnutí nebo úplnému selhání funkce.
• Bezpečnost systému:Proto musí být napětí v bodě přepětí proudového transformátoru dostatečně vyšší než maximální sekundární napětí očekávané během poruchy. To zajišťuje, že relé přijímá spolehlivý signál pro ochranu drahého zařízení.

Inženýři vypočítají požadovaný KPV, aby zajistili, že proudový transformátor zůstane nenasycený i za nejhorších podmínek poruchy. Zjednodušený vzorec pro tento výpočet je:

Požadovaná KPV ≥ Pokud × (Rct + Rb)

Kde:

• If= Maximální sekundární poruchový proud (A)
• Pravá= odpor sekundárního vinutí CT (ohmy)
• Rb= Celkové zatížení relé, kabeláže a připojení (ohmy)

V konečném důsledku slouží napětí v bodě kolena jako primární ukazatel schopnosti ochranného proudového transformátoru plnit svou bezpečnostní funkci za extrémního elektrického namáhání.

Dekódování označení na typových štítcích proudových transformátorů

Štítek proudového transformátoru obsahuje kompaktní kód, který definuje jeho výkonnostní možnosti. Toto alfanumerické označení je zkratkou pro inženýry, která specifikuje přesnost, použití a provozní limity součástky. Pochopení těchto kódů je nezbytné pro výběr správného zařízení.

Interpretace měření tříd CT (např. 0,2, 0,5S, 1)

Třídy měření proudových transformátorů (CT) jsou definovány číslem, které představuje maximální přípustnou procentuální chybu při jmenovitém proudu. Menší číslo značí vyšší stupeň přesnosti.

• Třída 1:Vhodné pro obecné měření panelů, kde vysoká přesnost není kritická.
• Třída 0,5:Používá se pro komerční a průmyslové fakturační aplikace.
• Třída 0.2:Vyžadováno pro vysoce přesné měření příjmů.

Některé třídy obsahují písmeno „S“. Označení „S“ v třídách měřicích proudových transformátorů dle IEC, například 0,2S a 0,5S, značí vysokou přesnost. Tato konkrétní klasifikace se obecně používá v aplikacích tarifního měření, kde jsou přesná měření kritická, zejména na spodní hranici rozsahu proudu.

Interpretace tříd ochrany CT (např. 5P10, 10P20)

Třídy ochranných proudových transformátorů používají třídílný kód, který popisuje jejich chování během poruchy. Běžným příkladem je5P10.

Rozbor kódu 5P10:

• 5Toto první číslo představuje maximální složenou chybu v procentech (5 %) na hranici přesnosti.
• PPísmeno „P“ v klasifikaci, jako je 5P10, označuje „třídu ochrany“. To znamená, že proudový transformátor je primárně určen pro aplikace ochranného relé, nikoli pro přesné měření.
• 10: Toto poslední číslo je mezní činitel přesnosti (ALF). Znamená to, že proudový transformátor si zachová specifikovanou přesnost až do proudu poruchy, který je desetinásobkem jeho jmenovitého výkonu.

Podobně, a10P20Třída CT má limit složených chyb 10 % a faktor meze přesnosti20V označení jako 10P20 číslo „20“ označuje mezní činitel přesnosti. Tento činitel udává, že chyba transformátoru zůstane v přijatelných mezích, když je proud 20krát větší než jeho jmenovitá hodnota. Tato schopnost je klíčová pro zajištění správné funkce ochranných relé i při silných zkratových podmínkách.

Průvodce aplikací: Přizpůsobení CT úkolu

Výběr vhodného proudového transformátoru není otázkou preference, ale požadavkem daným aplikací. Měřicí proudový transformátor poskytuje přesnost potřebnou pro finanční transakce, zatímco ochranný proudový transformátor poskytuje spolehlivost potřebnou pro bezpečnost aktiv. Pochopení toho, kde použít který typ, je zásadní pro správný návrh a provoz elektrického systému.

Kdy použít měřicí CT

Inženýři by měli používat měřicí transformátory proudu (CT) v každé aplikaci, kde je primárním cílem přesné sledování spotřeby elektrické energie. Tato zařízení jsou základem přesné fakturace a správy energie. Jejich konstrukce upřednostňuje vysokou přesnost za normálních podmínek zatížení.

Mezi klíčové aplikace pro měření proudových transformátorů (CT) patří:

• Měření příjmů a tarifůDodávatelé energií používají vysoce přesné proudové transformátory (např. třídy 0,2S, 0,5S) pro fakturaci rezidenčních, komerčních a průmyslových zákazníků. Přesnost zajišťuje spravedlivé a správné finanční transakce.
• Systémy energetického managementu (EMS)Zařízení používají tyto CT k monitorování spotřeby energie v různých odděleních nebo zařízeních. Tato data pomáhají identifikovat neefektivitu a optimalizovat využití energie.
• Analýza kvality energieAnalyzátory kvality elektrické energie vyžadují přesné vstupy pro diagnostiku problémů, jako jsou harmonické složky a poklesy napětí. Pro tato měření, zejména ve středonapěťových systémech, je frekvenční odezva přístrojového transformátoru kritická. Moderní analyzátory mohou vyžadovat spolehlivá data.až 9 kHz, což vyžaduje frekvenčně optimalizované transformátory pro zachycení celého harmonického spektra.

Poznámka k výběru:Při výběru proudového transformátoru (CT) pro měřič nebo analyzátor výkonu je klíčových několik faktorů.

• Kompatibilita výstupuVýstupní napětí z transformátoru proudu (např. 333 mV, 5 A) musí odpovídat vstupním požadavkům měřiče.
• Velikost nákladuPro zachování přesnosti by měl rozsah proudu transformátoru proudu odpovídat očekávanému zatížení.
• Fyzická zdatnostCT musí fyzicky obepínat vodič. Flexibilní Rogowského cívky jsou praktickým řešením pro velké přípojnice nebo stísněné prostory.
• PřesnostPro fakturaci je standardní přesnost 0,5 % nebo lepší. Pro obecné monitorování může postačovat 1 %.

Kdy použít ochranný CT

Technici musí používat ochranné proudové transformátory (CT) všude tam, kde je primárním cílem ochrana personálu a zařízení před nadproudy a poruchami. Tyto CT jsou navrženy tak, aby zůstaly v provozu i během extrémních elektrických událostí a poskytovaly spolehlivý signál ochrannému relé.

Mezi běžné aplikace ochranných proudových transformátorů patří:

• Ochrana proti nadproudu a zemnímu spojeníTyto proudové transformátory (CT) přivádějí signály do relé (jako je ANSI Device 50/51), která detekují fázové nebo zemní zkraty. Relé poté vypne jistič, aby poruchu izolovalo. V rozváděčích středního napětí se pomocí vyhrazenéhoCT s nulovou sekvencíPro ochranu proti zemnímu spojení se často doporučuje před zbytkovým připojenímtřífázové proudové transformátoryZbytkové spojení může vést k falešným vypnutím v důsledku nerovnoměrného nasycení během spouštění motoru nebo fázových poruch.
• Diferenciální ochranaToto schéma chrání hlavní aktiva, jako jsou transformátory a generátory, porovnáváním proudů vstupujících a vystupujících z chráněné zóny. Vyžaduje sladěné sady ochranných proudových transformátorů.Moderní digitální relédokáže kompenzovat různá zapojení proudových transformátorů (hvězda nebo trojúhelník) a fázové posuny pomocí softwarového nastavení, což nabízí značnou flexibilitu v těchto složitých schématech.
• Ochrana na dálkuTento systém, používaný v přenosových vedeních, spoléhá na ochranné proudové transformátory (CT) k měření impedance poruchy. Nasycení CT může toto měření zkreslit, což způsobí, že relé špatně odhadne polohu poruchy. Proto musí být CT navržen tak, aby se po celou dobu měření zabránilo saturaci.

Podle normy ANSI C57.13 musí standardní ochranný proudový transformátor odolat až20krátjeho jmenovitý proud během poruchy. To zajišťuje, že může dodat použitelný signál do relé, když je to nejvíce potřeba.

Vysoká cena nesprávného výběru

Použití nesprávného typu proudového transformátoru (CT) je kritická chyba s vážnými následky. Funkční rozdíly mezi měřicími a ochrannými proudovými transformátory nejsou zaměnitelné a neshoda může vést k nebezpečným a nákladným výsledkům.

• Použití měřicího CT pro ochranuToto je nejnebezpečnější chyba. Měřicí proudový transformátor je navržen tak, aby se při nízkých nadproudech nasytil, aby chránil elektroměr. Během závažné poruchy se nasytí téměř okamžitě. Nasycený proudový transformátor nedokáže reprodukovat vysoký poruchový proud a ochranné relé nezaznamená skutečnou velikost události. To může vést ke zpožděnému vypnutí nebo úplnému selhání funkce, což má za následek katastrofické poškození zařízení, požár a ohrožení personálu. Například nasycení proudového transformátoru může způsobit, že se diferenciální ochrana transformátoru vypne.špatně fungovat, což vede k nežádoucímu vypnutí během vnější poruchy.
• Použití ochranného CT pro měřeníTato volba vede k finanční nepřesnosti. Ochranný proudový transformátor není navržen pro přesnost při normálních provozních proudech. Jeho třída přesnosti (např. 5P10) zaručuje výkon při vysokých násobcích jeho jmenovitého proudu, nikoli na spodní hranici stupnice, kde většina systémů pracuje. Jeho použití pro fakturaci by bylo jako měření zrnka písku metrem. Výsledné účty za energii by byly nepřesné, což by vedlo ke ztrátě příjmů pro dodavatele energií nebo k nadměrnému nabíjení pro spotřebitele.

Scénář kritického selhání:V distančních ochranách způsobuje saturace proudového transformátoru (CT) měření relé.vyšší impedancenež skutečná hodnota. To efektivně zkracuje ochranný dosah relé. Porucha, která by měla být odstraněna okamžitě, může být vnímána jako vzdálenější porucha, což způsobuje opožděné vypnutí. Toto zpoždění prodlužuje zátěž elektrického systému a zvyšuje potenciál pro rozsáhlé poškození.

Nakonec náklady na nesprávný výběr proudového transformátoru daleko přesahují cenu samotné součásti. Projevují se zničením zařízení, provozními prostoji, nepřesnými finančními záznamy a ohrožením bezpečnosti.

Může jeden proudový transformátor sloužit jak k měření, tak k ochraně?

Přestože měřicí a ochranné proudové transformátory mají odlišné konstrukce, inženýři někdy potřebují jedno zařízení, které by plnilo obě funkce. Tato potřeba vedla k vývoji specializovaných transformátorů s dvojím účelem, které však s sebou nesou specifické kompromisy.

Dvouúčelový (třída X) CT

Zvláštní kategorie, známá jakoProudový transformátor třídy X nebo třídy PS, mohou sloužit jak pro měření, tak pro ochranu. Tato zařízení nejsou definována standardními třídami přesnosti, jako je 5P10. Jejich výkon je místo toho určen sadou klíčových parametrů, které technik používá k ověření jejich vhodnosti pro konkrétní ochranný systém.

Podle norem IEC, výkon proudového transformátoru třídy X je definován jako:

• Jmenovitý primární proud
• Poměr otáček
• Napětí v kolenním bodě (KPV)
• Magnetizační proud při specifikovaném napětí
• Odpor sekundárního vinutí při 75 °C

Díky těmto vlastnostem může zařízení nabízet vysokou přesnost měření za normálních podmínek a zároveň poskytovat předvídatelné napětí v bodě přepětí pro spolehlivý provoz relé během poruch. Často se používají v schématech diferenciální ochrany s vysokou impedancí, kde je nutné přesně znát výkon.

Praktická omezení a kompromisy

Přestože existují proudové transformátory třídy X, často se vyhýbáme použití jediného zařízení pro měření i ochranu. Tyto dvě funkce mají zásadně protichůdné požadavky.

Měřicí transformátor proudu (CT) je navržen tak, aby se včas nasytil a chránil tak citlivé měřiče.ochrana CT je navrženaodolávat saturaci, aby bylo zajištěno, že relé dokáže detekovat poruchu. Dvouúčelový proudový transformátor musí dosáhnout kompromisu mezi těmito dvěma protichůdnými cíli.

Tento kompromis znamená, že víceúčelový proudový transformátor nemusí plnit žádný z těchto úkolů tak dobře jako specializovaná jednotka. Konstrukce se stává složitější a dražší. Pro většinu aplikací je spolehlivějším a nákladově efektivnějším řešením instalace dvou samostatných, specializovaných proudových transformátorů – jednoho pro měření a jednoho pro ochranu. Tento přístup zajišťuje, že oba...fakturační systéma bezpečnostní systém funguje bez kompromisů.

---

Volba meziměřicí a ochranné proudové transformátoryje jasné rozhodnutí založené na provozní prioritě. Jedna zajišťuje přesnost fakturace, zatímco druhá zajišťuje spolehlivost během poruchy. Výběr správného typu je nezbytný pro bezpečnost systému, finanční přesnost a životnost zařízení. Technici musí vždy porovnat specifikace proudového transformátoru s potřebami připojeného zařízení.

Akontrolní seznam pro závěrečné ověřenízahrnuje:

1. Určení primárního prouduPřizpůsobte převod proudového transformátoru maximálnímu zatížení.
2. Vypočítat zátěžSečtěte zatížení všech připojených komponent.
3. Ověřte třídu přesnostiVyberte správnou třídu pro měření nebo ochranu.

Často kladené otázky

Co se stane, když sekundární obvod proudového transformátoru zůstane otevřený?

Rozpojený sekundární obvod vytváří nebezpečné vysoké napětí. Primární proud se stává magnetizačním proudem, který saturuje jádro. Tento stav může zničit proudový transformátor a představuje vážné riziko úrazu elektrickým proudem.

Bezpečnost především:Před odpojením jakéhokoli přístroje od obvodu vždy zkratujte sekundární svorky.

Jak inženýři vybírají správný převod proudového transformátoru?

Inženýři volí poměr, kde se normální maximální proud systému blíží primárnímu jmenovitému proudu proudového transformátoru. Tato volba zajišťuje, že proudový transformátor pracuje v rámci svého nejpřesnějšího rozsahu. Například zátěž 90 A funguje dobře s proudovým transformátorem 100:5 A.

Proč není měřicí proudový transformátor bezpečný z hlediska ochrany?

Měřicí proudový transformátor se během poruchy rychle nasytí. Nedokáže hlásit skutečný poruchový proud ochrannému relé. Relé pak nedokáže vypnout jistič, což vede ke zničení zařízení a vážným bezpečnostním rizikům.

Může jeden proudový transformátor sloužit jak k měření, tak k ochraně?

Speciální proudové transformátory třídy X mohou sloužit oběm rolím, ale jejich konstrukce je kompromisem. Pro optimální bezpečnost a přesnost inženýři obvykle instalují dva samostatné, specializované proudové transformátory – jeden pro měření a jeden pro ochranu.